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六自由度铸件取件工业机器人的机械结构设计-PUMA 560型机器人含10张CAD图 自由度 铸件 工业 机器人 机械 结构设计 PUMA 560 10 CAD

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,铸件取件工业机器人 机械结构设计,答辩人：XXX,指导老师：XXX,研究背景简介,机器人结构与传动原理,机器人设计参数,研究背景,随着科技日新月异的发展，工业机器人越来越多的被应用于生产制造领域。 在铸造业领域，工业机器人的使用逐步涉及到浇注、取件、清理、传送等各个工序当中。 本次设计的题目铸件取件机器人。,设计参数,具体结构与传动原理,液压传动,电机传动,手腕及夹持器,手腕与夹持器,谐波减速器,刚轮,柔轮,转子,小 臂,大臂,小臂,大 臂,请在这里输入您 的主要叙述内 请在这里输入您 的主要叙述内容,回转基座,大臂,底 座,请在这里输入您 的主要叙述内 请在这里输入您 的主要叙述内容,回转体,底座,谢谢老师们的观看 恳请老师们点评指正,答辩人：XX,指导老师：XX, 铸件取件工业机器人的机械结构设计摘 要随着科技日新月异的发展，工业机器人越来越多的被应用于生产制造领域，正逐步取代人工操作在各个生产线上，在完成了许多人类难以完成的任务的同时也极大地提高了生产率。在铸造业领域，工业机器人的使用逐步涉及到浇注、取件、清理、传送等各个工序当中。本文的设计题目为铸件取件工业机器人的机械结构设计，所取铸件是汽车轮毂，主要围绕取件所用的夹持器及机器人主要组成部分进行机械结构的设计。设计过程中，参照PUMA 560型机器人，取六个自由度，分别为底座的旋转、大臂转、小臂转、腕转、腕摆、夹持器的夹紧。机器人总共分为四个部分，手部、腕部、手臂、底座。对手腕部分的设计主要是驱动腕部旋转及夹持器夹紧的液压系统，具体为液压摆动缸、油路布置、柱塞缸的设计，其余回转装置都采用伺服电动驱动和谐波减速器减速，主要进行设计的是电动机与相应谐波减速器的选择及支撑结构的设计。设计过程中的螺栓、轴承、平键等都采用标准件，但由于机器人很多机构尚未制定相关的标准，这些结构都自行进行了设计。本文还对机械臂的运动状态进行了分析和计算，得出了各个关节转角之间的关系，这些数据可以为机器人的控制提供支持。关键词：六自由度机器人；铸件；结构设计；运动分析AbstractWith the progress of science and technology, industrial robots are more and more used in produce and manufacture area. They are gradually replacing manpower at each produce line. After finish many tasks which are difficult for human they have enhanced produce efficiency as well. In foundry industrial, industrial robots are gradually used in pouring, fetching, cleaning and transferring etc.The graduation design title is the mechanical structure design of fetching casting industrial robots, the casting that been fetched is wheel hub. The mainly design is around the holder for casting and integral part of robot.Referring to the PUMA 560 robot, this design have 6 degree of freedom, they are the rotating of the base, the rotating of the large arm, the rotating of the little arm, the rotating of the wrist, the swing of the wrist and the rotating of the holder. There are 4 parts of the robotholder, wrist, arm and base. This paper is focus on the design of hydraulic system that drives the wrist and holder in the wrist, especially the design of hydraulic ram, channel for oiling and plunger cam. The other rolling devices are driven by electromotor and speeded out by harmonic reducer. The mainly task of this part is choose electromotor and harmonic reducer and design support frame. Some bolts, bearings, flat keys in this design is standard and some is not, so many structure are designed by myself.This design is also analysis and calculator the motion of the mechanical arm and receive the relationship about each joint, some data is useful for the control of robot.Key words: 6 degree of freedom robots; casting; design of structure; analysis of motion 目 录引 言1第一章 概述31.1 工业机器人的组成31.2 工业机器人的自由度和坐标型式41.3 铸件取件机器人的主要设计参数5第二章 末端操作器72.1被加持铸件72.2 末端操作器72.3 夹持力的计算8第三章 手腕结构93.1 手腕的分类93.2 手腕的运动情况103.3手腕的计算113.3.1控制俯仰的液压缸的选取113.3.2控制翻转的液压缸的选取113.3.3 控制手部运动的液压缸的选取12第四章 手臂结构134.1小臂134.1.1 小臂壳体134.1.2 小臂回转运动机构144.1.3电动机与谐波减速器的选取154.1.4电动机轴的设计与校核164.2大臂174.2.1 大臂壳体174.2.2 大臂回转运动机构184.2.3电动机与谐波减速器的选取194.2.4电动机轴的设计与校核20第五章 底座结构225.1底座结构225.1.1电动机与减速器的选择23第六章 机器人运动分析246.1正向运动246.2逆向运动26结 论30参考文献31谢 辞32引 言工业机器人是最近几十年来出现的一种新的技术装备，其可以模仿人类肢体的某些动作，可以在生产过程中替代人类进行搬运物件或者夹持工具进行操作。在工业生产过程中使用机械手，可以减轻工人劳动强度，提高劳动生产率，实现生产过程自动化，保证产品质量。因此，近年来随着科技水平的提高，工业机器人的应用越来越普遍，其主要在危险、易爆、易燃、高压、高温、多粉尘、放射性的恶劣环境中应用，在单调、重复、笨重的操作环境中，使用工业机器人更可以更大地展示出其优越性。所以，工业机器人在锻造、铸造、冲压、机械加工、焊接、装配、电镀、热处理和轻工业、运输业等各个方面正在得到越来越广泛地应用。铸造生产的环境极其恶劣，有诸如粉尘、废气、高温、噪音等严重的环境问题，在七十年代的初期开始，机器人在该领域已经开始逐步的得到了应用。首先是在压铸方面，截止到1979年，全世界已经有300台以上的压铸机上应用了机器人，经统计在铸造行业使用机器人可以使劳动费用节省一半之多，而生产率可以提高百分之三十。到了八十年代后期，在全世界铸造业中，大约已经有600900台铸造机器人正在被使用，这个数字仅占机器人总数的百分之一左右，应用于铸造业的机器人还远远落后于其他的行业。此外，机器人还会被应用于制造型芯、浇注、清理等铸造的各工序中，进行铸件取件、拔取铸件、铸件分类传递、切割浇冒口、操作工具或铸件清洗单元进行铸件清理等一系列的任务。铸造业是一个古老的行业，自古以来都是以人工为主，劳动力密集，然而最近几年劳动力的成本出现了明显的上涨趋势，各大企业都在寻找更为廉价的成本，并且随着工业机器人在铸造各个工序中的良好应用，其在铸造业中的广泛 应用将会是今后生产中的主流。在本次的毕业设计中，主要参考了工业机械手设计基础、工业机器人技术、机器人技术基础及应用等几本较为基础的有关工业机器人的书籍，进行了机器人结构、运动以及功能的计算和分析设计，通过对现有机器人各部分的研究和改造，设计了一台六自由度关节式铸件取件机器人，着重设计了机械手的夹持机构、手腕手臂机构、底座以及各关节之间的连接部分，并通过计算设计了机械臂的运动方式，运行轨迹分析和计算。在具体的设计过程中，重点和难点主要集中在手臂及手腕的机械结构的分析与设计之中，由于有关工业机器人的设计中并未出台相关的标准，大多数的机构都需要独立设计，既要考虑结构上的合理性，又要考虑生产制造过程中的可行性，以及材料的节省、结构的紧凑等等，设计中有较大的自由性，正因如此，现有各种出版物中可供参照的图样、实例较少且绘制均为结构简图，因此在整个结构的设计中，很多壳类、盖类、盘类、套类零件的结构均参考了机械设计中箱体、机架、盘类、套类零件等相似结构的设计。第一章 概述1.1 工业机器人的组成工业机器人的主要组成部分为：控制系统、驱动机构、执行机构和位置检测装置。（如图1.1）被抓取工件执行机构驱动系统控制系统 位置检测装置图1.1 工业机器人的主要组成部分控制系统的作用是通过接收机器人的指令和传感器反馈的信号，控制机器人的执行机构完成既定的功能和运动。拥有信息反馈功能的机器人为闭环控制，不具备信息反馈功能的则为开环控制。具体来说，按照控制原理还可分为程序控制系统、普适性控制系统和人工智能控制系统。按照控制运动的形式还可分为位置点控制和不间断轨道控制。驱动系统是向执行机构提供动力的装置。其主要驱动方式有：液压驱动、气压驱动、电气驱动和新型驱动，它们各自的特点如下：电气驱动精度高，响应快，驱动力大，无环境污染，信号检测、处理方便，可以采用多种灵活多变的控制方式，因此是目前使用最多的一种驱动方式。电动机一般采用直流伺服电机、交流伺服电机、步进电机等。液压驱动可以赋予末端的夹持器很大的抓取能力，其结构紧凑，传动平稳，动作灵敏，防爆性好，但是需要提供较好的密封性能，不适于在高温、低温现场工作。气压驱动动作迅速，结构简单，但是稳定性较差，抓取力较小。执行机构由机械构件与传动部件构成，机械构件由机身、手臂、末端夹持器三部分组成。每一部分都具有若干自由度，由此，构成一个多自由度的机械系统。在铸件取件机器人中机身为底座，固定在地面上，手臂分为大臂和小臂，小臂末端为手腕，连接末端夹持器。位置检测装置是用来控制执行机构位置和姿态并将其实时的位置姿态反馈给控制系统的装置，控制系统将实时的位置与姿态与既定任务中的位置姿态进行比较，调整后使得执行机构在一定的精度内达到指定位置。1.2 工业机器人的自由度和坐标型式机器人的自由度指的是每一个构件相对于固定坐标系所具有的独立运动。自由度在机器人的设计中是一个主要的参数，自由度的数量与机器人完成动作的复杂性，控制系统与机械结构的复杂程度成正比，自由度的数量越多，机器人的应用范围也就越广，但同时制造及维修费用也就越高。在本次的毕业设计中，机器人所采用的自由度是六个，分别为夹持器的松紧、手腕的旋转、手腕的摆动、小臂的摆动、大臂的摆动以及底座的转动。工业机器人的主要坐标形式有直角坐标型、圆柱坐标型、球坐标型、关节坐标型和平面关节型。直角坐标型机器人是由三个线性关节组成，工作原理是通过这三个关节来确定末端操作器在x、y、z轴的具体位置，有时还会带有附加的旋转关节进而确定末端夹持器的姿态，这种机器人虽然精度高、刚性大，但是其操作范围小、占地面积大、运动速度低、密封性能较差。圆柱坐标型机器人是通过一个旋转关节和两个滑动关节来确定末端操作器的位置，另外加一个旋转关节来确定操作器的姿态。这种机器人直线部分可以输出较大的力，可以深入型腔内部，但是工作范围有限，工作范围呈圆柱形。球坐标型机器人由一个滑动关节和两个旋转关节来确定末端操作器的位置，由一个附加的旋转关节确定姿态，可以覆盖的工作范围比较大，但是球坐标过于复杂，难以控制。球坐标型机器人的工作范围成球缺装。关节坐标型机器人的所有关节均为旋转关节，是工业机器人中最为常见的一类机器人，位姿确定较为简单，其工作范围复杂且较大。平面关节型机器人相对于关节型机器人而言，它只有平行的肩关节和肘关节，其特点是在x-y平面内具有很大的柔性，而且在z轴有很强的刚性，此类机器人多用于装配作业中。本次毕业设计的铸件取件机器人采用的是关节机器人，其灵活的工作范围适用于铸件搬运的环境中。结构简图如下图（图1.2）所示：图1.2 关节型结构简图1.3 铸件取件机器人的主要设计参数表1.1 机械手的主要参数手臂形式多关节自由度6最大负载能力（kg）20kg最大行程腰部旋转+180-180大臂旋转+90-90小臂旋转+90-90手腕旋转+90+90手腕摆动+90-90手部夹紧+28-28最大速度腰部旋转240/s大臂旋转240/s小臂旋转240/s手腕旋转180/s手腕摆动180/s手部夹紧90/s惯量手腕旋转24Nm手腕摆动15Nm手部夹紧5Nm惯性力矩手腕旋转0.8kgm2手腕摆动1.0kgm2手部夹紧0.4 kgm2重复定位精度0.06mm最大覆盖范围40.183m2本体体重300kg安装方式地面式环境温度060驱动方式电气与液压驱动夹持器控制液压控制第二章 末端操作器2.1被加持铸件被夹持的铸件选取156.5的汽车轮毂，外径D=381mm，小径d=340mm，重量G=10.5kg。末端加持装置夹持的部位即为轮毂的内径的大小。2.2 末端操作器一般我们称用于工业上的机器人的手为末端操作器，机器人用其直接进行抓取、握紧或者吸附专用的工具或工件，它通常安装在机器人的前端末梢的地方，因为被抓取的工件或者工具的尺寸、形状、质量、材质有所不同，所以末端操作器的设计也是千差万别。图2.1 末端操作器结构1.驱动杆；2.扇形齿轮；3.手指；4.机架末端操作器结构如图2.1所示，根据所夹持的铸件轮毂的重量、形状和大小，本次设计所采用的末端操作器为夹钳式取料手，其与人手相似，是工业机器人经常使用的一种手部夹持装置，由手指、传动机构、驱动机构、连接装置与支撑元件组成，其中，手指的类型采用的是自定位式V型指，易于夹持圆柱形工件。传动机构采用齿轮齿条啮合直接传动的齿轮杠杆式手部结构，驱动杆1的末端制成双面齿条，与扇形齿轮2相啮合，扇形齿轮2与手指3用螺栓连接在一起，并绕支点旋转，驱动力推着双面齿条做直线往复运动，由此带动扇形齿轮实现手指的张开与闭合。其通过螺栓连接与手腕连接在一起，进而可以和手腕一起完成旋转或者上下摆动。2.3 夹持力的计算夹钳式取料手在抓紧物体时所需要的夹紧力P与被加持物体的重量Q和接触面之间的摩擦系数f有关，P与Q之间的关系需要满足以下关系式：PQ2f (2-1)因为Q=105N,所以P105N。取P=110N，则理论驱动力F满足：F240=P266 (2-2)得出理论驱动力F=1463N。计算驱动力Fe时还要考虑到运动过程中产生的振动、惯性力和传动效率等因素的影响，因此，在计算驱动力F时可以按照以下公式计算：Fe=K1K2F (2-3)取K1=1.2 K2=1.5 =0.9 F=1463N，解出Fe=2926N，取实际驱动力Fe=3000N第三章 手腕结构3.1 手腕的分类机器人的手腕可以按照自由度来划分为单自由度手腕、2自由度手腕、3自由度手腕，本次设计中采用的手腕为2自由度手腕，由一个翻转关节（R）和一个俯仰关节（B）组成BR手腕，其运动简图如图3.1所示。图3.1手腕运动简图按驱动方式来分，手腕可以分为直接驱动手腕和远距离传动手腕。此次设计使用的手腕为液压直接驱动手腕，通过手腕与小臂连接处和手腕中部的两个液压缸驱动手腕做翻转和俯仰的动作。手腕的具体运动结构如下图所示：（图3.2）图3.2 手腕的结构1.转子；2.盘类结构；3.回转结构；4.盘类机构；5.轴；6.转子；7.盘类结构；8.手腕中间套3.2 手腕的运动情况参考图3.2手腕运动情况如下：俯仰运动：手腕与小臂连接处的液压缸转子1通过螺栓连接与法兰盘2相连接，法兰盘2通过螺栓连接与回转结构3相连接，回转结构3与盘类结构4相连接，而盘类结构4与手腕相接，由此通过液压缸转子1的摆动即可以实现手腕的俯仰。翻转运动：轴5与液压缸转子6通过螺栓连接使得液压缸能够带动轴5进行旋转，轴5与盘类结构7通过螺纹连接,盘类结构7与手腕中间套8用螺栓连接，中间套8的另一端与末端操作器相连，这样，轴5在液压缸转子6的带动下可以进而带动中间套8和末端操作器进行翻转。夹持器的夹紧运动：参照油路原理图3.3图3.3 油路原理1.弹簧；2.活塞；3.油路；4.活塞杆；5.扇形齿轮夹持器张开时，活塞在最右端，两个夹爪位于最大的张角状态。做夹紧运动时，液压油沿着油路3进入液压缸内部，在一定的压力下推动活塞2左移，此时驱动力大于弹簧的弹力，弹簧1压缩，活塞2带动活塞杆4一起左移，活塞杆另一端的齿条部分与夹爪的扇形齿轮结构5相啮合，使得夹爪做夹紧动作。夹爪松开铸件时，液压缸及油路中的液压油压力降低，弹簧弹力大于驱动力，弹簧复位，推动活塞2和活塞杆4向右移动，使得夹爪张开，此时夹爪复位，准备下一个运动。3.3手腕的计算手腕的计算部分包括液压马达的选用，手部液压缸的计算以及油路的设计和计算。3.3.1控制俯仰的液压缸的选取液压回路选取开式回路，液压油选取普通液压油，系统压力初定为1.3107Pa，容积效率和机械效率均取0.9，最大负载转矩为TLMAX，最大转速为nMAX,液压缸排量为VM，液压缸的最大的输入流量为qM。由于手腕需要进行往返的俯仰运动，因此选用双叶片式摆动液压缸，其输出转矩大，摆动角度小。根据之前的机器人主要参数可知TLMAX=24Nm (3-1)VM=2TLMAX(p-pb)Mm=2241.21070.9=13.962610-6m3/r (3-2)nMmax=180/s=30r/min (3-3)qM=nMmaxVMMv=13.962610-6300.9=0.4654L/min (3-4)将液压缸的流量与液压缸的输出速度带入计算内径的公式可得：D=8.74qvv=8.740.46546010-336=0.2434m (3-5)求得液压缸内径圆整为240mm。3.3.2控制翻转的液压缸的选取液压回路选取开式回路，液压油选取普通液压油，系统压力初定为1.3107Pa，容积效率和机械效率均取0.9，最大负载转矩为TLMAX，最大转速为nMAX,液压缸排量为VM，液压缸的最大的输入流量为qM。同控制俯仰运动的液压缸相同，选用双叶片式摆动液压缸，根据之前所列出的机器人参数可得：TLMAX=15NmVM=2TLMAX(p-pb)Mm=2151.21070.9=8.726610-6m3/r (3-6)nMmax=180/s=30r/min (3-7)qM=nMmaxVMMv=8.726610-6300.9=0.2909L/min (3-8)将液压缸的流量与液压缸的输出速度带入计算内径的公式可得：D=8.74qvv=8.740.29096010-380=0.129m (3-9)求得液压缸内径圆整为D=130mm。3.3.3 控制手部运动的液压缸的选取 液压回路选取开式回路，液压油选取普通液压油，系统压力初定为1.3107Pa，容积效率和机械效率均取0.9，最大负载转矩为TLMAX，最大转速为nMAX,液压缸排量为VM，液压缸的最大的输入流量为qM。此处液压缸由于需要实现往复的直线运动，并提供手部的夹紧力，为了使结构更加紧凑、手腕质量较小，所以选用单杆活塞式液压缸。此液压缸的计算如下：Fe=PA (3-10)A=d12-d224 (3-11)d2=d1-1 (3-12)在上一章对夹紧力的计算中，我们得到驱动力Fe=3000N，系统压力为P=1.3107Pa，求得A=9.9610-4m2；取=2得出d10.7d1，取d1=50mm d2=35mm夹爪摆动的角度为=14，按照S=2r360得出行程S=11mm，取标准行程S=16mm。根据液压缸活塞行程系列选取标准的行程参数为25mm。综上所述，得出活塞液压缸的各组数据为d1=50mm d2=35mm S=16mm。第四章 手臂结构手臂在机器人的执行机构中扮演着至关重要的作用，它起着将抓取后的工件直接运送到指定位置的作用，这一系列的动作都是由驱动机构以及其他的传动机构完成的，所以，手臂不仅仅要承受它所抓取的工件的数量，还要负担起手腕、末端操作器以及手臂自身的重量。机器人的性能很大程度上要取决于机器人手臂的结构、灵活性、工作范围、定位精度和臂力的大小。机器人手臂按照结构可以分为单臂式、双臂式和悬臂式三种。按照其运动的形式可以直线运动、回转运动和复合运动。此次设计使用的手臂分为大臂和小臂，其形式均为单臂式，大臂和小臂均执行回转运动。4.1小臂小臂由小臂壳体和小臂回转运动机构组成，其主要功能是与大臂相连接，传递大臂的俯仰运动至手臂及手腕，并进行一个自由度的俯仰运动。4.1.1 小臂壳体 小臂的壳体一端与手腕的回转装置连接，其结构如下图所示（图4.1）：图4.1 小臂壳体结构1. 外壳；2.端盖；3.法兰盘；4.手腕回转装置外壳1厚度为15mm，采用铸铝合金，截面为矩形，具有良好的刚度，并且重量较轻。用来支撑、保护手臂内部结构，防止内部结构的腐蚀，增加其使用寿命，小臂结构内部留有肋板和通孔，可以用来放置电线及其他电子装置，端盖2处加工出的孔有利于回转装置的安装，端盖上加工有孔，用来放置输送液压油的油管。4.1.2 小臂回转运动机构 用来实现机器人手臂的回转运动的机构有各种各样的形式，常见的有齿轮传动机构、回转液压缸机构、连杆机构和链轮传动机构，在本次设计中，小臂回转运动机构采用的是伺服电动机连接谐波减速器，减速器直接连接小臂的结构，使用谐波减速器可以使结构相应的变得紧凑，并且具有精确的减速比，这种设计可以使大臂和小臂获得较大的活动范围，因此谐波减速器在机器人回转装置中具有广泛的应用。具体结构如下图所示（图4.2）：图4.2 小臂回转运动结构1.大臂；2.小臂；3.刚轮；4.柔轮；5.盘类结构；6.转子；7.盘类结构；8.法兰盘其中谐波减速器由刚轮3、柔轮4和转子6组成，刚轮3通过盘类结构7与小臂2连接，柔轮4通过盘类结构5间接与大臂1经螺栓连接到一起，法兰盘8通过螺栓连接与大臂1的连接，可以将电动机固定到大臂上。运动过程中，电动机轴带动谐波减速器的轴做回转运动，谐波减速器的柔轮与大臂相连固定到一起，于是刚轮做减速运动，带动小臂一起相对大臂做回转运动。4.1.3电动机与谐波减速器的选取伺服电机选用EDSMT-2T130-060B，额定功率1.5kW,额定转速2500r/min，额定力矩6Nm，其安装尺寸如下图所示（图4.3）：图4.3 小臂回转运动的伺服电机尺寸小臂的转速为n=240s=23r160min=40r/min (4-1)可得减速比为i=250040=62.5 (4-2)减速器选择杯型谐波齿轮减速器，选择减速器的型号为XB-200-80B,减速比为80，模数为1.25，额定输出力矩为2000Nm。4.1.4电动机轴的设计与校核电机轴通过键连接与谐波减速器的转子轴相连接，转子轴材料选用45钢，此轴两端有套类结构与大臂、小臂金星连接，所以径向力均由套类零件所承受，经分析轴本身仅受扭矩的作用，按照扭矩强度来确定轴的最小直径为：dmin395501000P0.2Tn=A03Pn=17.3069mm (4-3)取轴径为28mm，轴上零件布置如下图所示（图4.4）：图4.4 小臂回转运动的轴轴在远离电机的一端装有滚针轴承，轴承的轴向定位一端采用轴肩定位，另一端采用套杯定位，套杯内留有通孔，用以和柔轮相连接。靠近电动机轴的一端装有深沟球轴承，深沟球轴承外圈由端盖定位，内圈由轴肩定位，内圈另一端装有轴端挡圈进行定位。轴中部用平键与转子进行连接，转子外圈装有深沟球轴承，轴承内圈两端分别由转子和挡圈来定位，转子本身用轴肩和另一端的轴端挡圈定位。通过上文的分析可知轴仅承受扭矩而没有径向的弯矩，于是做弯矩图如下图所示（图4.5）：图4.5校核轴上的扭转应力：T=TWT=20000.2d3=455.539MPa (4-4)选取轴材料为45钢，热处理方法为调质处理，查得许用扭转切应力为：=640MPa所以T故可知其安全。4.2大臂大臂由大臂壳体与大臂回转机构组成，其主要功能是与上肢结构相连接传递底座的旋转运动至整个上肢结构，并进行一个自由度的俯仰运动。4.2.1 大臂壳体 图4.6 大臂壳体结构大臂外壳的一端与小臂的回转装置相连，另一端与大臂的回转装置相连接，其具体结构如下图所示（图4.6）：外壳厚度为15mm，采用铸铝合金，截面为矩形，具有良好的刚度，采取设计的结构使大臂外壳重量较轻，由于大臂壳体起到的主要作用是支撑以及传递运动，不需要内部的结构，所以设计成没有内部空间的结构，上面设有用来放置电线的孔，通过法兰盘与固定在底座上的电动机相连接。4.2.2 大臂回转运动机构 与小臂相同，大臂回转运动机构使用的是伺服电动机连接谐波减速器，谐波齿轮减速器直接连接大臂的结构，使用谐波减速器可以使结构相应的变得紧凑，并且具有精确的减速比，使大臂获得较大的活动范围，因此谐波减速器在机器人回转装置中具有广泛的应用。回转机构的具体结构如下图所示（图4.7）图4.7 大臂回转运动结构1.法兰盘；2.套类零件；3.轴；4.转子；5.刚轮；6.柔轮；7.轴；8.轴端挡板；9.机架；10.端盖回转机构的设计参照了普通谐波减速器的样式，在此基础上进行了结构上的改进，使其与底座的结构相契合，达到顺利安装且完成既定运动要求的目的。其中谐波减速器由刚轮5、柔轮6和转子4组成，刚轮5通过螺栓连接与套类零件2和机架9相连，与机架9固定到一起，套类零件2另一段连接着法兰盘1，电动机通过螺栓连接固定到法兰盘1上，柔轮6通过螺栓连接与轴7连接到一起，轴7的另一端通过法兰盘与大臂的外壳相连接。运动过程中，电动机轴带动谐波减速器的轴做回转运动，谐波减速器的刚轮与机架相连固定到一起，于是柔轮做减速运动，带动大臂一起相对机架做回转运动。4.2.3电动机与谐波减速器的选取伺服电机选用EDSMT-2T130-077B，额定功率2kW,额定转速2500r/min，额定力矩7.7Nm，其安装尺寸如下图所示（图4.8）：图4.8 大臂回转运动的伺服电机尺寸大臂的转速为n=240s=23r160min=40r/min (4-5)可得减速比为i=250040=62.5减速器选择杯型谐波齿轮减速器，选择减速器的型号为XB-200-80B,减速比为80，模数为1.25，额定输出力矩为2000Nm。4.2.4电动机轴的设计与校核电机轴通过键连接与谐波减速器的转子轴相连接，转子轴材料选用45钢，此轴两端有套类结构与大小臂连接，所以径向力均由套类零件所承受，经分析轴本身仅受扭矩的作用，按照扭转强度来确定轴的最小直径为：dmin395501000P0.2Tn=A03Pn=19.0487mm (4-6)取轴径为30mm，轴上零件布置如下图所示（图4.9）：图4.9轴的靠近电机的一端装有两个轴承，左端的轴承轴向定位一端采用端盖定位，另一端采用套筒定位，右端的轴承一端采用套筒定位，一端通过轴肩定位。轴的另一端通过平键与转子连接，转子是一个轮形的回转类结构，其左端通过轴肩定位，右端通过轴端挡板定位，轴端挡板用螺钉固连在轴端。从电动机传递过来的扭矩经轴传递给转子，柔轮做减速运动后，将回转运动传递到大臂。通过上文的分析可知轴仅承受扭矩而没有径向的弯矩，于是做扭矩图如下图所示（图4.10）：图4.10校核轴上的扭转应力：T=TWT=20000.2d3=455.539MPa (4-7)选取轴材料为45钢，热处理方法为调质处理，查得许用扭转切应力为：=640MPa所以T故可知其安全。第五章 底座结构5.1底座结构机器人的底座可以分为两种：固定式和行走式。一般的工业机器人均为固定式底座，此次设计中也选取固定式底座，今后随着航空航天、海洋科学以及原子能工业的发展，具备行走能力的移动式机器人和步行机器人将会有更多的应用。设计底座的结构时应该注意到，底座会承受一定的弯矩和扭矩，设计的时候应该合理的选择截面的尺寸，底座需要支承整个取件机器人的上肢结构，因此需要具备一定的刚度和稳定性，并且具备抵抗变形和抵抗冲击振动的能力。其基本结构如下图所示（图5.1）图5.1 底座结构1.基座；2.伺服电机；3.谐波减速器；4.旋转外壳基座1与地面用地脚螺栓连接到一起，接触面的凸台高度为35mm，基座上部通过法兰盘固定伺服电机2，再通过套杯与谐波减速器3的刚轮相连接，使得刚轮固定，谐波减速器3的柔轮通过螺栓连接与旋转外壳连接，旋转外壳与基座之间是深沟球轴承，内径640mm，轴承的内外圈分别由基座和外壳定位。运动时，伺服电动机的电机轴与谐波减速器的转子轴相连，谐波减速器的刚轮与基座固连，柔轮做减速运动带动外壳相对于基座作旋转运动，外壳与大臂回转机构相连接，从而带动整个机械臂做回转运功。5.1.1电动机与减速器的选择伺服电机选用EDSMT-2T130-077B，额定功率2kW,额定转速2500r/min，额定力矩7.7Nm，其安装尺寸如下图所示（图5.2）：图5.2 底座结构的伺服电机尺寸旋转外壳的转速为n=240s=23r160min=40r/min (5-1)可得减速比为i=250040=62.5减速器选择杯型谐波齿轮减速器，选择减速器的型号为XB-200-80B,减速比为80，模数为1.25，额定输出力矩为2000Nm。第六章 机器人运动分析机器人运动学研究的是如何控制工业机器人的运动，一开始，需要在机器人中建立一系列对应的坐标系，其中笛卡尔坐标系被用来描述机器人的末端位置和姿态，关节坐标系被用来描述关节运动，机器人的运动学将这些坐标系之间的运动统一起来，建立起统一的运动关系。在研究机器人运动学的过程中，存在着两大类问题，即正向问题与逆向问题。正向问题主要解决的是机器人关节坐标系的坐标到机器人末端的位置与姿态之间的映射，而逆向运动学主要解决的是机器人末端夹持器的坐标位置与姿态到机器人各个关节坐标系的坐标之间的映射，正向问题的解唯一且简单，与之相反，逆向问题的解往往十分的复杂，在求解这些问题时会运用到高等数学以及线性代数的知识，并且会运用到一些技巧和经验。到目前为止，对于工业机器人来说，主要考虑的应该是关节运动学和动力学的控制问题，由于机器人独立运动和移动的本质，没有直接的方法可以直接测量出机器人的位姿，所以只能将机器人的运动集成，从而间接的获取到它的位姿。6.1正向运动通常，我们使用最多的方法是D-H法，以描述相邻的杆件之间的平移及转动关系。D-H法是给每个关节处的杆件均建立一个44的齐次变换矩阵方程，来表示这个关节处的杆件与前面杆件坐标系的关系，这样一来，只要通过逐次变换就可以将用手部坐标系表示的末端操作器变换并用基坐标表示。机器人的每个杆件都有4个运动参数：决定杆件结构的杆件参数连杆长度ai、连杆扭角i，起到决定相邻杆件相对位置作用的关节参数两连杆距离di和两连杆夹角i，通过确定这4个参数的正负号规则，就可以完全描述机器人操作臂上每一个杆件的位姿。1.连杆长度aizi-1轴和zi轴两轴之间的最短距离，即从zi-1轴和xi轴焦点到第i坐标系原点沿xi轴之间的偏置距离。2.连杆扭角i用右手螺旋定则确定，绕xi轴从zi-1轴转向zi轴之间的偏角。3.两连杆距离di从第i-1个坐标系的原点到zi-1轴和xi轴的交点沿zi-1轴的距离 4.两连杆夹角i按右手定则确定，绕zi-1轴从xi-1转向xi轴的关节角。建立每个坐标系还应应遵循以下的规则：1.xi轴垂直于zi-1轴并指向离开zi-1轴的方向。2.zi-1轴是沿着第i关节的运动轴；3.x、y、z轴按照右手坐标系的要求建立；根据设计的铸件取件机器人的机械臂的结构绘制由6个简化转动关节构成的6自由度结构简图，将机械手简化后的转动关节分别按照以上的规则建立坐标系，将大臂、小臂及手腕的旋转中心方向标x轴，指向底座的方向为x轴的正半轴方向，随后依次标明各个关节的z轴方向。各个转动关节的矩阵参数如下表所示（表6.1）：表6.1参数123456i-90090-90900ai016050000i123456di0171.71501033.340581A1=cos3-sin3sin3cos30 00 00 00 01 0 0 1 (6-1)A2=cos4-sin4000 01171.715-sin4-cos4000 00 1 (6-2)A3=cos3-sin3sin3cos30 16050 00 00 01 0 0 1 (6-3)A4=cos4-sin4000 011033.34-sin4-cos4000 00 1 (6-4)A5=cos5-sin5000 0-1 0sin5cos5000 00 1 (6-5)A6=cos6-sin6000 01 0-sin6-cos6000 00 1 (6-6)经计算，得出总的齐次矩阵为：T6=A1A2A3A4A5A6=nxoxnyoyaxpxaypynzoz00azpz01 (6-7)其中，nx=c1c23c4c5c6-s4s6-s23s5c6+s1(s4c5c6+c4s6) (6-8)ny=s1c23c4c5c6-s4s6-s23s5c6-c1(s4c5c6+c4s6) (6-9)nz=-s23c4c5c6-s4s6-c23s5c6 (6-10)ox=c1c23-c4c5c6-s4s6+s23s5c6+s1(s4c5c6-c4s6) (6-11)oy=s1c23-c4c5c6-s4s6+s23s5c6-c1(s4c5c6-c4s6) (6-12)oz=-s23-c4c5c6-s4s6+c23s5c6 (6-13)ax=-c1c23c4s5+s23c5-c1s4s5 (6-14)ay=-s1c23c4s5+s23c5+c1s4s5 (6-15)az=s23c4s5-c23c5 (6-16)px=c11605c2-1033.34s23-171.715s1 (6-17)py=s11605c2-1033.34s23+171.715c1 (6-18)pz=-1065s2-1033.34c23 (6-19)6.2逆向运动已知机器人机械臂的位置和姿态的情况下，去求机器人对应于这个位姿下的全部关节角的过程叫做求逆向运动。逆向运动学运用于已知铸件取件机器人在某一时刻的位置和姿态的情况下，求解机器人的每一个关节角，求解的过程中会产生多个结果，其中只有一个是正确的，需要根据具体运动范围，结合周围的设备的位置和大小选择一个合理的位姿。在求解的过程中还会用到欧拉变换以及解析法。在求解出机器人各个关节的角度及其坐标之后，便能进行下一步的系统控制了。1.求1用A1-1左乘T6得到矩阵方程6.2.1如下：A1-1T6=A2A3A4A5A6 (6-20)令其两端元素对应相等，可得方程6.2.2：-s1px+c1py=171.715利用三角代换得出11=actan2py,px-actan2(171.715,px2+py2+pz2) (6-21)求得的式子里的正负号表示1有两个潜在的解。2.求3先选择1的一个解，然后使矩阵方程6.2.1两端一行三列与三行四列元素分别对应相等，可以求出两个方程即：-c1px+s1py=-1033.34s23+1605c2 (6-22)-px=1033.34c23+1605s2 (6-23)将此两个方程与方程6.2.2求平方和得到式6.2.3：-1033.34s3=k (6-24)k=px2+py2+pz2-16052-171.71523210 (6-25)通过三角代换可以求出3：3=actan20,1033.34-actan2(k,1033.342-k2) (6-26)求得的式子里的正负号表示3有两个潜在的解。3.求2。在矩阵方程T两侧左乘逆变换A3-1得出矩阵方程6.2.4：A3-1T6=A4A5A6 (6-27)即c1c23s1s23-c1c23-s1s23s23-1605c3-c21605s3-s1 c10 00-171.71501nxoxnyoyaxpxaypynzoz00azpz01=A4A5A6 (6-28)矩阵方程6.2.4两端的一行四列和二行三列元素分别对应相等可得c1c23px+s1c23py-s23pz-1605c3=0 (6-29)-c1s23px-s1s23py-c23px+1605s3=1033.34 (6-30)联立求得s23和c23s23=-1605c3pz+(c1px+s1py)(1605s3-1033.34)pz2+(c1px+s1py)2 (6-31)c23=1605s3pz-c1px+s1pyc3pz2+(c1px+s1py)2 (6-32)因为s23和c23的表达式分母相等，所以：2+3=actan2-1605c3pz+c1px+s1py1605s3-1033.34,1605s3pz-c1px+s1pyc3 (6-33)所以2=23-3，1对应于3有四种不同的解，所以2也有四种不同的解。4.求4。使矩阵方程两端一行三列和三行三列元素相等，得到：axc1c23+ays1c23-azs23=-c4s5 (6-34)-axs1+ayc1=s4s5 (6-35)当s50时，得到4的表达式：4=actan2(-axs1+ayc1,axc1c23+ays1c23-azs23) (6-36)当s5=0时，机器人处于奇异形位的状态，此时4可以是任意值。5.求5。求出4之后，进一步就可以解出5来，矩阵方程6.2.4两端左乘逆变换A4-1A4-1(1,2,3,4)T6=A5A6 (6-37)因为在之前的计算中1,2,3,4均已解出，所以A4-11,2,3,4=c1c23c4+s1s4s1c23c4-c1s4-c1c23c4+s1s4-s1c23c4-c1s4-s23c4-a2c3c4+171.715s4s23c4a2c3c4+171.715s4-c1s23 -s1s230 0-c23 1605s30 1 (6-38)令矩阵两边的一行三列和三行三列元素相等求出：axc1c23c4+s1+ay(s1c23c4-c1s4) -azs23c4=-s5 (6-39)-axc1-ays1s23-azc23=c5 (6-40)联立解出55=actan2(s5,c5) (6-41)6.求6。矩阵方程6.2.2两端分别左乘A5-1得A5-1T6=A6 (6-42)使其两端一行三列和三行三列分别相等，得出来：-nxc1c23s4-s1c4-nys1c23s4+c1c4+nzs23s4=s6 (6-43)nxc1c23c4+s1s4c5-c1s23s5+nys1c23c2-c1s4c5-s1s23s5 (6-44)-nz(s23c4c5+c23s5)=c6 (6-45)求出6的解6=actan2(s6,c6) (6-46)结 论铸件取件机器人的总高为2656.5mm，活动半径为3576.4mm，占地面积为710613.7mm2。可以夹持内径为340mm，重量10.5kg的汽车轮毂铸件，实现的动作可以将其从传送装置或者型模中取出并放到指定的位置。主要的设计参照对象为PUMA 560型关节偏置型机器人，机器人的主要组成部分为：底座、大臂、小臂、手腕和末端夹持器，主要驱动方式为伺服电机驱动，谐波减速器进行减速，部分回转结构手腕的回转和夹持器的夹持动作采用液压驱动。机器人的底座、底座回转装置及大臂小臂的外壳、机架均为铸造，底座材料为铸铁，手臂结构材料为铸铝合金，截面为矩形。设计中所采用的轴承、密封圈、螺栓、挡圈、箱壁、液压缸等均为标准件，由于国家尚未出台关于机器人具体结构的标准，并且考虑到机器人结构和用途的多样性，许多部件均采用的是自行设计为主，以类似结构的标准为辅的设计思想。设计的重点为夹持器的设计，手腕处结构以及液压回路的布置，大小臂回转装置结构的设计和电动机、减速器的选用，底座的结构设计以及电机减速器的选择，此外，运用了机器人运动学的知识对机器人的运动进行了分析计算，可以得出各个关节旋转角度的关系。设计过程中参考了多个版本的机械设